淺談飛機內部通信技術發展趨勢

2021-02-14 瀋陽所揚州院

飛機內部通信(以下簡稱機內通信)系統作為整個飛機的「中樞神經」,承擔著不同階段的飛行任務控制指令、飛機參數、設備工作狀態、任務情報數據等傳輸任務,是溝通全機各系統設備的「路網」,是計算機通信技術在機載電子系統底層的具體實現,一定程度上決定著飛機機載系統性能和綜合化程度的高低。

飛機數據按其不同的傳輸需求可以分為但不限於以下三類:第一類是高可靠性數據,主要包括飛控、導航、動力、電氣、起落架等涉及飛行安全的數據;第二類是高實時性數據,主要包括飛行操縱、目標定位、火力打擊等涉及快速反饋控制的數據;第三類是大寬帶數據,如雷達、電子戰、光電等任務載荷獲取的情報數據。機內通信技術的發展即是不斷提升其傳輸性能,以滿足飛機數據各種不同傳輸需求的過程,高可靠、高速率、大吞吐量、多功能和更靈活是其發展的方向。‍

概述

從飛機誕生至今的一百多年時間裡,機內通信技術不斷變革和發展。在通信介質方面,機內通信從最初的普通電線介質發展到雙絞線介質再到同軸電纜介質並逐步採用高性能光纖介質;在通信拓撲方面,機內通信從孤立設備之間的從點對點通信發展到共享總線型通信再到網絡交換式的通信。機內通信技術的發展帶來了數據傳輸速率的極大提高、數據傳輸穩定性/安全性的增強以及通信線纜重量/體積的降低,有效提高了飛機整體性能。

從點對點通信到數據總線通信

早期的飛機機載系統大部分設備之間普遍採用點對點專用線纜實現單一發送器與單一接收器之間的信號傳輸,其功能單一,不具備多設備互聯的基本功能。隨著機載系統架構越來越複雜、設備分布越來越廣、組成越來越龐大,通信電纜長度、重量、體積逐步成為飛機系統的負擔。飛機內部繁雜的線纜分布見圖1所示。

                                             

圖1  飛機內部線纜分布示意

數據總線技術的出現改變了這一情況,大大減輕了飛機系統整體負擔。19世紀80年代,美國工業部門為數據總線通信專門制定了軍用1553B標準和民用ARINC系列標準,使得數據總線更加規範化,應用也更加廣泛。利用總線網絡的復用特性,可以實現發送設備向多個接收設備發送數據,在很大程度上減少通信線路的數量(如圖2中,由點對點15個獨立通信線路可減少為6-7個總線通信線路),減輕通信電纜的長度、重量、體積,並且降低通信網絡的雜亂程度。

圖2  從點對點通信到總線通信

以數據總線網絡取代設備點對點之間傳輸的電纜網,是基於通信機制的創新,還具備以下優勢:

可以提升機載數據的實時採集和監測能力,總線監視器設備能以較小的代價直接接入數據總線網絡,從中獲取全部控制、參數及狀態信息,進行信息處理、故障診斷、實時告警;

通過統一標準的總線協議對傳輸消息進行規範化定義,可以使數據傳輸更加安全、可控;

通過不斷的改善總線通信協議和機制,以及優化通信介質,可以提升數據總線傳輸速率(由kbps量級增長為Mbps量級),滿足機載系統數據傳輸需求。

從低速總線通信到高速總線通信

隨著計算機技術和信息技術不斷發展,超大數據量信息傳輸和處理成為了制約飛機特別是作戰飛機任務性能的主要因素。為了保證電子戰、雷達、光電載荷探測到的情報數據能夠及時傳輸到中央處理器進行分選、融合處理、識別、跟蹤,保證駕駛艙的飛行員能夠及時獲取完整準確的戰場態勢信息,發展出了基於光纖介質的新型數據總線,如IEEE1394總線、FC總線等。下表1為低速總線與高速總線的綜合對比。

表1  典型低速/高速機載數據總線綜合對比

總線

低速總線

高速總線

ARINC429

1553B

IEEE1394

FC

傳輸介質

雙絞線、同軸電纜

雙絞線、同軸電纜

光纖

光纖

傳輸速率

100Kbps

1Mbps

200/400/800Mbps

1/2/4/8/16Gbps

拓撲結構

總線型

總線型

環型

網絡交換型

最大傳輸距離

53m

10m

100m

1000m

延遲

/

60μs

/

10μs

誤碼率

/

10-8

10-10

10-12

特點

結構簡單、速度低、價格便宜

成熟、速度較低、價格較便宜

速度較高、支持熱插拔、重量輕

速度高、拓撲靈活 、重量輕

數據總線替代低速的銅導線數據總線,是基於通信介質材料和物理拓撲結構的創新,總線串行傳輸速率有了極大提升,能夠達到數十Gbps;且拓撲結構也更加的多樣化,傳輸能力得到增強。龐大的數據傳輸能力使超清光電視頻/圖像、高解析度雷達偵察圖像實時傳輸成為了可能。藉助大數據、人工智慧技術,作戰飛機的任務系統可以從海量情報數據中自主提取目標特徵,達到先敵發現、先敵調整、先敵決策、先敵攻擊的效果,以快制慢,加速OODA作戰環完成。

 從有線通信到無線通信

近年來,隨著無線(射頻)通信技術的研究和應用日益成熟,無線通信成為機內通信的一個探索方向。21世紀初,美國、歐盟、日本等開始開展航空太空飛行器無線通信組網技術研究,並在基礎研究、仿真實驗、標準制定以及飛行試驗等方面取得了一些成果,探索了藍牙、ZigBee等無線技術實施的可行性。

世界無線電通信大會(WRC-15)期間,各國審議通過了一項支持「以航空移動(航路)業務進行頻率劃分、推進航空機載內部無線通信(WAIC)的應用和發展」的議題,可以藉助安裝在航空器上不同位置的無線傳感器,實現駕駛艙與機翼、起落架、發動機、客(貨)艙等重要部位通信傳輸的無線電通信系統。逐步探索民機機載內部無線通信技術。如圖3是航空機載內部無線通信技術在起落架系統的基礎應用場景。

圖3  航空機載內部無線通信技術在起落架上應用

以無線通信替代有線通信,是基於傳輸模式的創新。飛機內部無線通信技術具備多重優勢:首先是設計重量,對於一架大型飛機而言,採用內部無線通信技術可以極大釋放原有線電纜的重量,為有效載荷的擴展增加可能;其次,採用無線通信,將會較大程度的釋放設備艙空間,減輕地面維護人員拆裝設備的難度,提高飛機交付使用後的維護性;再次,無線通信的拓撲結構將更加靈活,便於機載系統的資源餘度分配和重構,提高飛機系統整體性能。

無線光通信又稱自由空間光通信,以大氣作為傳輸媒介來進行光信號的傳送。只要在適當距離的收發兩個端機之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發射功率,即可實現無線光通信。其基本原理見圖4所示。

圖4  無線光通信基本原理

雖然無線光通信技術理論還有待完善,且需經過實踐檢驗,但是在飛機內部採用無線光通信具有很大的優勢和潛力:

理論上,無線光通信的傳輸帶寬與光纖通信的帶寬相同。目前國外無線光通信系統一般採用1550nm波長頻段,傳輸速率可達10Gbps,可以滿足機載系統傳輸需求。

與射頻電磁波相比,無線光通信具有更豐富的頻譜資源,且不會與機載原射頻通信系統相互幹擾。

無線光通信具有很好的方向性和非常窄的波束,因此其傳輸安全性很高。

機內通信系統的設計需要綜合考慮數據總線的通信速率、可靠性、抗幹擾、兼容性、可擴展等能力要求,並且能夠儘可能減少其成本、體積、重量以及安裝空間,提升飛機整體性能。光纖總線通信和機載內部無線通信是當前主要研究方向,光纖總線通信相對無線通信而言較為成熟且傳輸速度較快,然而隨著無線通信技術的不斷發展以及新材料、新技術的不斷湧現,飛機設備艙內無/少電纜化通信的願景正逐步成為現實。

【1】   李方圓.淺談無線航空電子機內通信系統[J].數字通信世界,2012( 8) : 77-78.

【2】   張翠平,盧寧寧,張海鵬.飛行器內部信息交互無纜化需求分析和體系構想[J].無線電工程,2017,47(8):9-13.

【3】   楊建新,彭海軍,錢玉瑩.機載數據總線拓撲結構的數學描述[J].航空計算技術,2017,47(2):113-116.

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